Общност
Митохондриалната ДНК, или mtDNA, е дезоксирибонуклеиновата киселина, която се намира вътре в митохондриите, т.е. органелите на еукариотните клетки, отговорни за много важния клетъчен процес на окислително фосфорилиране.
Той обаче има и някои особености, както структурни, така и функционални, които го правят уникален по рода си. Тези особености включват: кръговостта на двойната верига нуклеотиди, съдържанието на гени (което е само 37 елемента) и почти пълното отсъствие на некодиращи нуклеотидни последователности.
Митохондриалната ДНК изпълнява основна функция за оцеляването на клетките: произвежда ензимите, необходими за осъществяването на окислително фосфорилиране.
Какво е митохондриална ДНК?
Митохондриалната ДНК, или mtDNA, е ДНК, разположена в митохондриите.
Митохондриите са онези големи клетъчни органели, характерни за еукариотните организми, които превръщат химическата енергия, съдържаща се в храната, в АТФ, който е форма на енергия, която може да се използва от клетките.
ПРЕДШЕСТВАЩО СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРАНЕ НА МИТОХОНДРОНИ
Тръбни, нишковидни или зърнести по форма, митохондриите се намират в цитоплазмата, заемайки почти 25% от обема на последната.
Те имат две двуслойни фосфолипидни мембрани, още една външна и още една вътрешна.
Най -външната мембрана, известна като външната митохондриална мембрана, представлява периметъра на всеки митохондрий и има транспортни протеини (порини и повече), които я правят пропусклива за молекули с размер, равен на или по -малък от 5000 далтона.
Най -вътрешната мембрана, известна като вътрешната митохондриална мембрана, съдържа всички ензимни (или ензимни) и коензимни компоненти, необходими за синтеза на АТФ, и определя централно пространство, наречено матрикс.
За разлика от най -външната мембрана, вътрешната митохондриална мембрана има множество инвагинации - така наречените хребети - които увеличават общата й площ.
Между двете митохондриални мембрани има пространство от близо 60-80 ангстрема (А) .Това пространство се нарича междумембранно пространство.Межмембранното пространство има състав, много подобен на този на цитоплазмата.
Синтезът на АТФ, управляван от митохондриите, е много сложен процес, който биолозите идентифицират с термина окислително фосфорилиране.
ТОЧНО МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ НА МИТОХОНДРАЛНА ДНК И КОЛИЧЕСТВО
Фигура: човешки митохондрий.
Митохондриалната ДНК се намира в митохондриалната матрица, т.е. в пространството, ограничено от вътрешната митохондриална мембрана.
Според надеждни научни изследвания, всеки митохондрион може да съдържа от 2 до 12 копия на митохондриална ДНК.
Като се има предвид факта, че в човешкото тяло някои клетки могат да съдържат няколко хиляди митохондрии в себе си, общият брой копия на митохондриалната ДНК в една човешка клетка може да достигне до 20 000 единици.
Моля обърнете внимание: броят на митохондриите в човешките клетки варира в зависимост от типа клетка. Например, хепатоцитите (т.е. чернодробните клетки) могат да съдържат между 1 000 и 2 000 митохондрии всеки, докато еритроцитите (т.е. червените кръвни клетки) са напълно лишени от тях.
Структура
Общата структура на молекула на митохондриална ДНК прилича на общата структура на ядрената ДНК, тоест генетичното наследство, присъстващо в ядрото на еукариотни клетки.
Наистина, аналогично на ядрената ДНК:
- Митохондриалната ДНК е биополимер, състоящ се от две дълги нишки нуклеотиди. Нуклеотидите са органични молекули, получени в резултат на обединението на три елемента: захар с 5 въглеродни атома (в случай на ДНК, дезоксирибоза), азотна основа и фосфатна група.
- Всеки нуклеотид на митохондриалната ДНК се свързва със следващия нуклеотид от същата верига посредством фосфодиестерна връзка между въглерода 3 на неговата дезоксирибоза и фосфатната група на непосредствено следващия нуклеотид.
- Двете нишки на митохондриалната ДНК имат противоположни ориентации, като краят на едната взаимодейства с края на другата и обратно.Това конкретно подреждане е известно като антипаралелна подредба (или антипаралелна ориентация).
- Двете нишки на митохондриалната ДНК взаимодействат помежду си чрез азотните основи.
По -специално, всяка азотна основа на всяка нишка установява водородни връзки с една и само една азотна основа, присъстваща на другата нишка.
Този тип взаимодействие се нарича "сдвояване между азотни основи" или "двойка азотни основи". - Азотните основи на митохондриалната ДНК са аденин, тимин, цитозин и гуанин.
Сдвояването, до което възникват тези азотни основи, не е случайно, а е силно специфично: аденинът взаимодейства само с тимин, докато цитозинът взаимодейства само с гуанин. - Митохондриалната ДНК е дом на гени (или генни последователности). Гените са последователности от повече или по-малко дълги нуклеотиди, с ясно определено биологично значение. В повечето случаи те пораждат протеини.
СТРУКТУРНИ ОСОБЕНОСТИ НА МИТОХОНДРАЛНАТА ДНК
Освен гореспоменатите аналогии, човешката митохондриална ДНК има някои структурни особености, които я отличават значително от човешката ядрена ДНК.
Първо, това е кръгова молекула, докато ядрената ДНК е линейна молекула.
По този начин тя има 16 569 двойки азотни основи, докато ядрената ДНК има огромни 3,3 милиарда.
Той съдържа 37 гена, докато ядрената ДНК съдържа между 20 000 и 25 000.
Тя не е организирана в хромозоми, докато ядрената ДНК е разделена на 23 хромозоми и образува, с някои специфични протеини, вещество, наречено хроматин.
И накрая, той включва поредица от нуклеотиди, които участват в два гена едновременно, докато ядрената ДНК има гени, чиито нуклеотидни последователности са добре дефинирани и различни един от друг.
Произход
Митохондриалната ДНК най -вероятно има „бактериален“ произход.
Всъщност, въз основа на многобройни независими проучвания, молекулярните биолози смятат, че клетъчното присъствие на митохондриална ДНК е резултат от включването от предков еукариотни клетки на независими бактериални организми, много подобни на митохондриите.
Това любопитно откритие е изумило само частично научната общност, тъй като ДНК, присъстваща в бактериите, като цяло е кръгова нуклеотидна верига, подобна на митохондриалната ДНК.
Теорията, според която митохондриите и митохондриалната ДНК имат „бактериален произход, носи името„ ендосимбиотична теория “, от думата„ ендосимбиоза “. Накратко, в биологията терминът„ ендосимбиоза “показва сътрудничество между два организма, което включва „включване на едното в другото, за да се спечели определено предимство.
Любопитство
Според надеждни научни изследвания, в хода на еволюцията много бактериални гени, присъстващи в бъдещата митохондриална ДНК, биха променили местоположението си, преминавайки в ядрена ДНК.
С други думи, в началото на ендосимбиозата някои гени, които сега присъстват в ядрената ДНК, се намират в ДНК на тези бактериални организми, които по -късно ще станат митохондрии.
В подкрепа на теорията, свързана с изместване на гените между митохондриалната ДНК и ядрената ДНК, е наблюдението, че някои гени произлизат от митохондриална ДНК, при някои видове, и от ядрена ДНК, при други.
Функция
Митохондриалната ДНК произвежда ензими (т.е. протеини), необходими за правилното изпълнение на деликатния процес на окислително фосфорилиране.
Инструкциите за синтезиране на тези ензими се намират в 37 гена, които изграждат генома на митохондриалната ДНК.
КАКЪВ МИТОХОНДРАЛЕН ДНК ГЕНОВ КОД: ПОДРОБНОСТИТЕ
37 -те гена на митохондриалния ДНК код за: протеини, тРНК и рРНК.
В частност:
- 13 кодират 13 протеини, отговорни за провеждането на окислително фосфорилиране
- 22 код за 22 молекули на тРНК
- 2 кодират 2 рРНК молекули
Молекулите на тРНК и рРНК са фундаментални за синтеза на гореспоменатите 13 протеини, тъй като съставляват машината, която регулира тяхното производство.
С други думи, митохондриалната ДНК притежава информацията за производство на определен набор от протеини и инструментите, необходими за техния синтез.
Какво представляват РНК, тРНК и рРНК?
РНК или рибонуклеинова киселина е нуклеиновата киселина, която играе основна роля в генерирането на протеини, започвайки от ДНК.
Като цяло едноверижна, ANN може да съществува в различни форми (или типове), в зависимост от специфичната функция, на която е делегирана.
TRNA и rRNA са две от тези възможни форми.
ТРНК се използва за добавяне на аминокиселини по време на процеса на производство на протеини.Аминокиселините са молекулните единици, които изграждат протеини.
РРНК образува рибозомите, т.е. клетъчните структури, в които се осъществява синтеза на протеини.
За да се запознаят подробно с ANN и неговите функции, читателите могат да кликнат тук.
ФУНКЦИОНАЛНИ ПОДРОБНОСТИ НА МИТОХОНДРАЛНАТА ДНК
От функционална гледна точка, митохондриалната ДНК има някои особени характеристики, които я различават ясно от ядрената ДНК.
Ето в какво се състоят тези особености:
- Митохондриалната ДНК е полунезависима, в смисъл, че се нуждае от намесата на някои протеини, синтезирани от ядрена ДНК.
От друга страна, ядрената ДНК е напълно автономна и сама произвежда всичко необходимо, за да изпълнява правилно задачите си. - Митохондриалната ДНК има малко по -различен генетичен код от ядрената ДНК. Това води до редица различия в производството на протеини: ако определена последователност от нуклеотиди в ядрената ДНК води до създаването на определен протеин, същата последователност в митохондриалната ДНК води до образуването на малко по -различен протеин.
- Митохондриалната ДНК има много малко некодиращи нуклеотидни последователности, тоест те не произвеждат никакви протеини, тРНК или рРНК. В процентно отношение само 3% от митохондриалната ДНК е некодирана.
От друга страна, ядрената ДНК е само 7% кодираща, така че съдържа много некодиращи нуклеотидни последователности (до 93%).
Таблица: обобщение на разликите между човешка митохондриална ДНК и човешка ядрена ДНК.
Митохондриална ДНК
Ядрена ДНК
- Той е кръгъл
- Той е линеен
- Има общо 16 569 двойки азотни основи
- Той има общо 3,3 милиарда азотни двойки основи
- Съдържа общо 37 гена
- Той съдържа между 20 000 и 25 000 гена
- За да функционира правилно, тя се нуждае от подкрепата на някои генни продукти, произтичащи от ядрена ДНК
- Той е автономен и сам произвежда всичко необходимо, за да изпълнява правилно функциите си
- Той може да присъства в няколко копия във всеки отделен митохондрий
- Той е уникален, тоест е само в едно копие и се намира в ядрото
- 97% от нуклеотидната последователност, която го съставя, е кодираща
- Само 7% от нуклеотидната последователност, която го съставя, е кодираща
- Той не е организиран в хромозоми
- Той е разделен на 23 хромозоми
- Той използва генетичен код, малко по -различен от, така да се каже, "традиционен"
- Използвайте "традиционния" генетичен код
- Наследството му е по майчина линия
- Наследството му е наполовина по майчина линия и наполовина по бащина линия
- Някои от неговите нуклеотиди участват в два гена едновременно
- Последователностите на нуклеотидите, които изграждат гените, се различават добре една от друга
Наследяване
Наследяването на митохондриалната ДНК е строго по майчина линия.
Това означава, че в двойка родители жената е тази, която предава митохондриалната ДНК на потомството (т.е. на децата).
По напълно противоположен начин на горното, наследяването на ядрената ДНК е наполовина по майчина и наполовина по бащина линия.С други думи, и двамата родители допринасят еднакво за предаването на ядрена ДНК в потомството.
Моля обърнете внимание: наследството на майката на митохондриалната ДНК също включва митохондриалната структура. Следователно, митохондриите, присъстващи в индивида, са майчински.
Свързани патологии
Помещение: Генетичната мутация е трайна промяна в последователността на нуклеотидите, които изграждат ядрен или митохондриален ДНК ген.
Обикновено наличието на генетична мутация води до „промяна или загуба на нормална функция на участващия ген.
Наличието на мутации в гените на митохондриалната ДНК може да доведе до широк спектър от заболявания, включително:
- Наследствена оптична невропатия на Лебер
- Синдром на Kearns-Sayre
- Синдром на Leigh
- Дефицитът на цитохром С оксидаза
- Прогресивна външна офталмоплегия
- Синдром на Пиърсън
- Митохондриална енцефаломиопатия с лактатна ацидоза и епизоди, подобни на инсулт (синдром на MELAS)
- Диабет с глухота, предавана от майката
- Миоклонична епилепсия с неправилни червени влакна
По отношение на патологичните състояния, свързани с една или повече митохондриални ДНК мутации, трябва да се изяснят два аспекта.
Първо, тежестта на заболяването зависи от количествената връзка между мутирали митохондриални ДНК и здрави, нормални митохондриални ДНК. Ако броят на мутиралите митохондриални ДНК е значително по -голям от този на здравите ДНК, полученото състояние ще бъде по -тежко.
Второ, мутациите в митохондриалната ДНК засягат само някои тъкани на организма, по -специално тези, които изискват големи количества АТФ в резултат на процеса на окислително фосфорилиране. Това е напълно разбираемо: да страдат повече от една неизправност на митохондриалната ДНК са клетките, от които най -много се нуждаят функцията, която нормално изпълнява митохондриалната ДНК.
НАСЛЕДНАТА ОПТИЧНА НЕВРОПАТИЯ НА ЛЕБЕР
Наследствената оптична невропатия на Лебер възниква в резултат на мутацията на цели четири митохондриални ДНК гена. Тези гени съдържат информацията, която води до синтеза на така наречения комплекс I (или NADH оксид-редуктаза), един от различните ензими, участващи в процеса на окислително фосфорилиране.
Проявите на патологията се състоят в прогресивна дегенерация на зрителния нерв и постепенна загуба на зрение.
KEARNS-SAYRE СИНДРОМ
Синдромът на Kearns-Sayre се появява поради липсата на достатъчно количество митохондриална ДНК (N.B .: липсата на определена нуклеотидна последователност се нарича делеция).
Хората със синдром на Kearns-Sayre развиват офталмоплегия (пълна или частична парализа на окуломоторните мускули), форма на ретинопатия и нарушения на сърдечния ритъм (атриовентрикуларен блок).
СИНДРОМ НА ЛИЙ
Синдромът на Leigh възниква в резултат на митохондриални ДНК мутации, които могат да повлияят на АТФ-синтазния протеин (наричан още V-комплекс) и / или някои тРНК.
Синдромът на Leigh е прогресивно неврологично заболяване, което се появява в ранна детска възраст или в детска възраст и е отговорно за: забавяне на развитието, мускулна слабост, периферна невропатия, двигателни нарушения, затруднено дишане и офталмоплегия.
ДЕФИЦИТ НА ЦИТОХРОМ С ОКСИДАЗА
Дефицитът на цитохром С оксидаза възниква поради мутацията на поне 3 митохондриални ДНК гени. Тези гени са от съществено значение за правилния синтез на ензима цитохром С оксидаза (или комплекс IV), участващ в процеса на окислително фосфорилиране.
Типичните прояви на дефицит на цитохром С оксидаза се състоят от: дисфункция на скелетните мускули, сърдечна дисфункция, бъбречна дисфункция и чернодробна дисфункция.
ПРОГРЕСИВНА ВЪНШНА ОФТАЛМОПЛЕГИЯ
Прогресивната външна офталмоплегия възниква от липсата на значителен брой митохондриални ДНК нуклеотиди (заличаване)
С прогресивен характер (както може да се предположи от името), тази патология причинява парализа на окуломоторните мускули, с последваща птоза и значителни зрителни проблеми.
ПИРСОНОВ СИНДРОМ
Синдромът на Pearson се появява след забележимо заличаване на митохондриалната ДНК, по подобен начин на прогресиращата външна офталмоплегия и синдрома на Kearns-Sayre.
Типичните прояви на синдрома на Пирсън се състоят от: сидеробластна анемия, дисфункция на панкреаса (напр. Инсулинозависим диабет), неврологични дефицити и мускулни нарушения.
Синдромът на Пирсън обикновено причинява смърт на засегнатото лице в ранна възраст. Всъщност засегнатите от тази патология рядко достигат зряла възраст.
МЕЛАС СИНДРОМ
Синдромът MELAS, известен също като митохондриална енцефаломиопатия с лактатна ацидоза и епизоди, подобни на инсулт, възниква от мутацията на поне 5 митохондриални ДНК гени.
Тези гени допринасят за синтеза на NADH оксид-редуктаза или комплекс I и на някои тРНК.
Синдромът MELAS включва наличието на неврологични нарушения, мускулни нарушения, необичайно натрупване на млечна киселина в тъканите (с всички придружаващи симптоми), проблеми с дишането, загуба на контрол на функциите на червата, повтаряща се умора, бъбречни проблеми, сърдечни проблеми, диабет, епилепсия и липса на координация.
ДРУГИ ПАТОЛОГИИ
Според различни научни изследвания, болести като синдром на циклично повръщане, пигментозен ретинит, атаксия, болест на Паркинсон и болестта на Алцхаймер, също ще видят участие на митохондриалната ДНК и някои от нейните мутации.
